Леонов Николай Сергеевич родился 22 августа 1928 года. В 1938 году он переезжает в город Электросталь, где в 1947 году оканчивает среднюю школу с золотой медалью, после чего поступает в Московский Институт международных отношений. 

После окончания института, в 1952 году, он был направлен не в МИД, а в издательство литературы на иностранных языках. Но проработал он там недолго. 

Уже в мае 1953 года его направили на стажировку в Мексику, куда он отправился на торговом судне «Андреа Гритти» из порта в Генуе. На нём он познакомился с кубинским революционером Раулем Кастро, о котором после напишет книгу. 

После прибытия Леонов стал посещать занятия в Национальном автономном университете Мексики на факультете филологии и философии. 

Летом 1956 года Николай Сергеевич познакомился с Че Геварой. Однако спустя время были арестованы некоторые кубинские революционеры, а при обыске на квартире Гевары нашли фотографию Леонова. Это стало причиной для возврата Николая Леонова на Родину в то же издательство. 

Интересный факт: эту фотографию можно увидеть в свободном доступен. 
В 1958 году он поступил в заочную аспирантуру по Латинской Америке в Институт истории Академии Наук СССР. 

После чего в 1958 году был он принят в 101-ю школу КГБ, которая относилась к первому управлению КГБ, для подготовки в качестве разведчика. 

Спустя год обучения, в 1959 году — в составе делегации, возглавляемой заместителем Председателя Совета министров СССР А. И. Микояном поехал в Мексику, с ним же в 1960 году — на Кубе, где встречался с Фиделем Кастро. 

С 1960 года Леонов в разведке в Латинской Америке работает против спецслужб США. Сопровождал и переводил Фиделя Кастро в его поездке по СССР в 1963 году. 

Леонов возглавлял кубинское направление во внешней разведке, ему пришлось принять активное участие во многих событиях, связанных с борьбой против американского влияния в странах Латинской Америки. 

Также он бывал в краткосрочных командировках в Афганистане и других странах. 

С 1971 года был назначен заместителем, а спустя два года начальником информационно-аналитического управления внешней разведки. В сентябре 1983 года — заместителем начальника разведки. 

С 30 января по 27 августа 1991 года — начальник аналитического управления КГБ СССР в звании генерала-лейтенанта. 

По мнению историка разведки В. Лашкула прогнозы аналитиков, которыми Леонов руководил 12 лет, ни разу не оказались ошибочными. 
По поручению председателя КГБ СССР В. Крючкова 17-18 августа 1991 года участвовал в подготовке Обращения ГКЧП к советскому народу. 

В 1991 году с распадом СССР Леонов ушёл в отставку. Совместно с коллегами из КГБ он организовал акционерное общество «Российская национальная служба экономической безопасности». Защитил кандидатскую и докторскую диссертации. С 1994 года начал преподавать современную историю в МГИМО. 

В 2003 году стал депутатом Государственной Думы РФ IV созыва (2003—2007) от блока «Родина».